Durch die Spaltung von Meerwasser könnte eine unerschöpfliche Quelle für grünen Wasserstoff entstehen

Nur wenige Klimalösungen kommen ohne Nachteile aus. „Grüner“ Wasserstoff, der durch die Spaltung von Wassermolekülen mit erneuerbarer Energie hergestellt wird, könnte schwere Fahrzeuge antreiben und Industrien wie die Stahlproduktion dekarbonisieren, ohne einen Hauch von Kohlendioxid auszustoßen. Da die Wasserspaltungsmaschinen oder Elektrolyseure jedoch für den Betrieb mit reinem Wasser ausgelegt sind, könnte die Ausweitung von grünem Wasserstoff die weltweite Süßwasserknappheit verschärfen. Jetzt berichten mehrere Forschungsteams über Fortschritte bei der Herstellung von Wasserstoff direkt aus Meerwasser, das zu einer unerschöpflichen Quelle für grünen Wasserstoff werden könnte.

„Das ist die Richtung für die Zukunft“, sagt Zhifeng Ren, Physiker an der University of Houston (UH). Md. Kibria, ein Materialchemiker an der Universität von Calgary, sagt jedoch, dass es derzeit eine günstigere Lösung gibt: Meerwasser in Entsalzungsanlagen einzuspeisen, die das Salz entfernen können, bevor das Wasser zu herkömmlichen Elektrolyseuren fließt.

Heutzutage wird fast der gesamte Wasserstoff durch die Spaltung von Methan und die Verbrennung fossiler Brennstoffe hergestellt, um die erforderliche Wärme und den erforderlichen Druck zu erzeugen. Bei beiden Schritten wird Kohlendioxid freigesetzt. Grüner Wasserstoff könnte diesen schmutzigen Wasserstoff ersetzen, kostet aber derzeit mehr als das Doppelte, etwa 5 Dollar pro Kilogramm. Das liegt unter anderem an den hohen Kosten von Elektrolyseuren, die auf Katalysatoren aus Edelmetallen basieren. Das US-Energieministerium hat kürzlich eine jahrzehntelange Anstrengung gestartet, um Elektrolyseure zu verbessern und die Kosten für grünen Wasserstoff auf 1 US-Dollar pro Kilogramm zu senken.

Wenn ihnen das gelingt und die Produktion von grünem Wasserstoff sprunghaft ansteigt, könnte der Druck auf die Süßwasservorräte der Welt zunehmen. Um 1 Kilogramm Wasserstoff mittels Elektrolyse zu erzeugen, werden etwa 10 Kilogramm Wasser benötigt. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien könnte der Betrieb von Lkws und Schlüsselindustrien mit grünem Wasserstoff etwa 25 Milliarden Kubikmeter Frischwasser pro Jahr erfordern, was dem Wasserverbrauch eines Landes mit 62 Millionen Einwohnern entspricht.

Meerwasser gibt es nahezu unbegrenzt, aber seine Spaltung bringt seine eigenen Probleme mit sich. Elektrolyseure sind ähnlich wie Batterien aufgebaut und bestehen aus einem Elektrodenpaar, das von einem wässrigen Elektrolyten umgeben ist. Bei einem Design spalten Katalysatoren an der Kathode Wassermoleküle in Wasserstoff- (H+) und Hydroxylionen (OH-). Überschüssige Elektronen an der Kathode verbinden Wasserstoffionenpaare zu Wasserstoffgas (H2), das aus dem Wasser sprudelt. Die OH-Ionen wandern unterdessen durch eine Membran zwischen den Elektroden und gelangen zur Anode, wo Katalysatoren den Sauerstoff zu Sauerstoffgas (O2) verknüpfen, das freigesetzt wird.

Bei der Verwendung von Meerwasser wandelt derselbe Stromstoß, der an der Anode O2 erzeugt, jedoch auch die Chloridionen im Salzwasser in stark korrosives Chlorgas um, das die Elektroden und Katalysatoren angreift. Dies führt in der Regel dazu, dass Elektrolyseure innerhalb weniger Stunden ausfallen, während sie normalerweise jahrelang betrieben werden können.

Jetzt berichten drei Gruppen über Bemühungen, dieser Korrosion Einhalt zu gebieten. Forscher unter der Leitung von Nasir Mahmood, einem Materialwissenschaftler an der RMIT University in Melbourne, berichteten in der Small-Ausgabe vom 8. Februar, dass sie durch die Beschichtung ihrer Elektroden mit negativ geladenen Verbindungen wie Sulfaten und Phosphaten negativ geladene Chloridionen abstoßen und die Bildung von Chloridionen verhindern könnten Chlorgas. Das RMIT-Team meldete bis zu zwei Monate lang praktisch keine Verschlechterung seiner Elektroden, obwohl nur ein Tropfen Wasserstoff erzeugt wurde. Seitdem haben die Forscher in unveröffentlichten Arbeiten ihren Aufbau verbessert, um Wasserstoff so schnell wie kommerzielle Süßwasser-Elektrolyseure zu produzieren, sagt Mahmood.

Shizhang Qiao, ein Nanotechnologe an der Universität Adelaide, und seine Kollegen nahmen Änderungen an einem zweiten Elektrolyseurtyp vor, der eine Membran verwendet, die nur für H+-Ionen durchlässig ist. Dieser Aufbau spaltete Wassermoleküle an der Anode statt an der Kathode und entzog ihnen Elektronen, um H+-Ionen freizusetzen. Die Ionen wandern durch die Membran zur Kathode, wo sie sich mit Elektronen zu H2 verbinden. Qiao und seine Kollegen beschichteten ihre Elektroden mit Chromoxid, das eine Blase aus OH-Ionen anzog, die Chloridionen abstieß. Das Gerät spaltete Meerwasser 100 Stunden lang bei hoher Strömung ohne Zersetzung, berichten sie in der Nature Energy-Ausgabe vom 30. Januar. „Ich freue mich sehr, ein so cleveres Design zu sehen“, sagt UH-Materialphysiker Shou Chen.

Zongping Shao, ein Chemieingenieur an der Technischen Universität Nanjing, und seine Kollegen gingen einen dritten Weg, um Chlorid abzuwehren. Sie umgaben die Elektroden mit Membranen, die nur Süßwasserdampf aus dem umgebenden Meerwasserbad durchlassen. Während der Elektrolyseur Frischwasser in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt, erzeugt er einen Druck, der mehr Wassermoleküle durch die Membran zieht und so den Frischwasservorrat wieder auffüllt. In der Nature-Ausgabe vom 30. November 2022 berichteten Shao und seine Kollegen, dass ihre Anlage 3200 Stunden lang ohne Anzeichen einer Verschlechterung in Betrieb war. „Es ist wie ein interner Destillationsprozess“, sagt Haotian Wang, ein angewandter Physiker an der Rice University

Die Membranen, die das Salz herausfiltern, ähneln denen in kommerziellen Entsalzungsanlagen, die bereits effizient genug sind, um Frischwasser zu produzieren, während die Kosten für grünen Wasserstoff nur etwa 0,01 US-Dollar pro Kilogramm betragen. Kibria sagt deshalb, dass es nicht so viel Sinn macht, an Elektrolyseuren herumzuspielen, wie einfach grüne Wasserstoffprojekte an Entsalzungsanlagen anzuschließen. „Wir müssen das Rad nicht neu erfinden“, sagt er. „Das ist ein gelöstes Problem.“

Mahmood ist anderer Meinung. Erstens, sagt er, sei die Entsalzung keine geeignete Option für Länder, die sich keine großen Kapitalprojekte leisten können. Darüber hinaus könnten korrosionsbeständige Elektroden auch für die Erschließung anderer unreiner Wasserquellen wie Abwasser und Brackwasser nützlich sein, sagt er. „Wir müssen weiter an alternativen Technologien arbeiten“, sagt er.